Los físicos descubren un nuevo estado de la materia oculto en el mundo cuántico

(koto_feja/E+/Getty Images)

Probablemente conozcas los estados comunes de la materia con los que entramos en contacto, como sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, en circunstancias más inusuales y extremas, pueden surgir nuevos estados de la materia y, a principios de este año, científicos de Estados Unidos y China descubrieron uno.

Esta nueva disposición de partículas, que los científicos denominan estado líquido bose quiral, puede proporcionar más conocimientos sobre la estructura y el funcionamiento del Universo, particularmente en la escala cuántica ultrapequeña.

Los estados de la materia explican las formas en que las partículas pueden interactuar entre sí para formar diferentes tipos de estructuras y comportamientos. Una vez que los átomos se fijan, se crea un sólido. Déjalos ir; tienes un gas o un líquido. Tienes un plasma; fuerce los acoplamientos cargados para separarlos.

Las partículas pueden interactuar de maneras aún más extrañas en el ámbito cuántico, lo que lleva a comportamientos inusuales que se explican mejor en términos de posibilidades y energía.

El nuevo estado fue encontrado por investigadores utilizando un sistema cuántico frustrado. En pocas palabras, el sistema está frustrado debido a limitaciones inherentes que prohíben que las partículas interactúen como lo harían normalmente.

Para los científicos, estas limitaciones y las consiguientes molestias pueden conducir a descubrimientos fascinantes. En este caso, los investigadores explicaron lo que estaba sucediendo centrándose en los electrones y haciendo una analogía con un juego de mesa.

Tigran Sedrakyan, físico teórico de la materia condensada de la Universidad de Massachusetts Amherst, lo describió como "como un juego de sillas musicales, diseñado para frustrar a los electrones".

"En lugar de que cada electrón tenga una silla a la que ir, ahora deben luchar y tener muchas posibilidades en el lugar donde sentarse".

El aparato que ensamblaron los investigadores era un dispositivo semiconductor de dos capas: una capa inferior con muchos agujeros abiertos para que los electrones fluyeran naturalmente y una capa superior densamente repleta de electrones. ¿El giro de los acontecimientos? No existen suficientes huecos para acomodar a cada electrón.

Los investigadores emplearon un campo magnético extremadamente alto para monitorear el movimiento de los electrones, proporcionando la primera indicación del nuevo estado líquido quiral bose, a pesar de que este tipo de sistema todavía es difícil de ver.

Ilustración de una banda de foso, el tipo de sistema frustrado creado por los científicos. (Tigran Sedrakyan)

El científico Lingjie Du de la Universidad de Nanjing en China afirmó: "Los electrones y los agujeros se mueven con las mismas velocidades en el borde de la bicapa semiconductora".

"Esto conduce a un transporte de tipo helicoidal, que puede ser modulado aún más por campos magnéticos externos a medida que los canales de electrones y huecos se separan gradualmente bajo campos superiores".

Este nuevo estado reveló algunas características realmente fascinantes. Por ejemplo, en el cero absoluto, los electrones formarán un patrón predecible y una orientación de espín establecida que no se verá afectada por otras partículas o campos magnéticos. Esta estabilidad puede resultar útil en sistemas de almacenamiento digital que funcionan a nivel cuántico.

Además, debido al entrelazamiento cuántico de largo alcance, las partículas externas que afectan a un electrón también pueden afectar a todos los electrones del sistema. Otra observación potencialmente beneficiosa es que es similar a estrellar una bola blanca contra un grupo de bolas de billar y que todas esas bolas viajen en la misma dirección en reacción.

Aunque todo esto implica una física extremadamente avanzada, cada hallazgo como este (estas anomalías y casos extremos que ocurren fuera de los límites de las interacciones típicas de partículas) nos acerca un paso más a tener una comprensión integral del mundo.

"En estas franjas se encuentran estados cuánticos de la materia, y son mucho más salvajes que los tres estados clásicos que encontramos en nuestra vida cotidiana", añadió Sedrakyan.

Referencia: